VoLTE業務端到端服務質量指標及測試

許延，陳也樂

VoLTE業務端到端服務質量指標及測試

許延1，陳也樂2

（1.中國信息通信研究院，北京 100045；2.南安普頓大學，南安普頓 SO17 1BJ）

正確評估VoLTE業務的服務質量對于LTE網絡運營商至關重要，因此通過調研語音QoS和VoLTE的相關標準，明確VoLTE端到端QoS指標及其目標值，最后給出了利用現有技術測試VoLTE端到端QoS的方法。

VoLTE 端到端QoS 時延

1 引言

為了在LTE網絡上傳輸語音包，GSMA（GSM Associaton）2010年宣布將IMS（IP Multimedia Subsystem）作為移動語音的主要架構。VoLTE服務能夠保證QoS，為用戶提供運營級別的端到端高清語音服務從而改善用戶體驗，這使得VoLTE與OTT業務相比具有更強的競爭力。為了確保業務傳到端用戶時能夠滿足用戶的感知要求，3GPP定義了一系列的QoS類別標識符（QCI，QoS Class Identifier），每一個類別用于特定優先級和屬性的承載。不同等級的QoS由不同的服務來提供，得到有質量的服務，保證VoLTE呼叫。VoLTE采用3GPP策略和計費控制（PCC，Policy and Charging Control）架構提供端到端的服務質量保證。PCC結構建立專用承載將VoLTE業務和其它IP業務流隔離。端到端QoS要求移動終端、無線接入網、核心網的協作來建立端到端的語音信令和承載信道，從而為語音業務提供更高的服務質量保證，改善用戶體驗。

從用戶角度來看，VoLTE的QoS惡化主要包括以下兩大類情況：

呼叫會話的性能：如注冊IMS/SIP服務時出現問題；呼叫建立時出現問題；呼叫過程中的不連續，包括移動的影響（無線切換或發生SRVCC事件，也就是在LTE覆蓋不好的情況下發生切換到2G/3G網絡的事件）。

通話期間用戶感知到的語音質量：如呈現給用戶的語音頻譜（窄帶、寬帶、超寬帶）以及潛在的失真、通話中斷、端到端時延過大、不期望噪聲的出現等。要監視、報告并解決這些影響用戶體驗的問題，需要建立VoLTE服務質量的指標和測試方法。這方面標準化組織做了很多工作，ETSI TS103 219[1]描述了LTE環境下的語音通信QoS參數；ITU-T G.1028[2]給出VoLTE幾種端到端場景的參考連接及服務質量建議。

本文將梳理現有IETF、3GPP、ETSI和ITU-T關于語音QoS及VoLTE相關方面的標準，對VoLTE業務端到端服務質量問題進行了歸納總結，為服務提供商規劃網絡業務，監視業務質量，發現并解決問題，使用戶獲得滿意的服務質量。

2 VoLTE業務網絡結構及服務質量參數

2.1 VoLTE業務網絡結構

VoLTE業務的簡化結構如圖1所示，主要包括下面幾個模塊：移動終端、4G無線接入網（EUTRAN，Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network）、4G核心網（EPC，Evolved Packet Core）、移動IMS網絡、其它無線接入網（GERAN和UTRAN）、其它2G和3G的移動核心網以及與其它EPC或固定網絡的互聯。

圖1 VoLTE業務的簡化結構

2.2 VoLTE網絡服務質量參數

為了解決QoS問題，LTE采用EPS承載來傳輸數據，一個EPS承載可以看作一個雙向的數據管道，可以將數據按照正確的路徑，以合適的QoS進行傳輸。LTE采用QCI來指明EPS承載的QoS，QCI是核心網和接入網節點間共享的QoS參數，用于控制信息的傳送以確保網絡所有節點的QoS要求。一個EPS承載可以由一個或多個雙向服務數據流（SDF，Service Data Flow）組成，每個SDF為一個特定的服務（如視頻流應用）運送數據包。在同一個EPS承載中的SDF共享同樣的QoS，以確保以同樣的方式傳輸。QCI用于衡量特定的提供給SDF的分組轉發行為（如分組丟失率、分組時延預算），它同時應用于GBR和Non-GBR承載，用于指定訪問節點內定義的控制承載級分組轉發方式（如調度權重、接納門限、隊列管理門限、鏈路層協議配置等），這些都由運營商預先配置到接入網節點中。

表1是3GPP TS23.203[3]中定義的QCI，其中與VoLTE有關的是QCI=1、5這兩類。傳統的語音服務對應QCI=1，IP分組在該承載上具有第2等級的優先級，網絡資源應該確保分組丟失率小于10-2，發起呼叫的移動終端和PCEF（Policy and Charging Enforcement Function）之間的時延應該在100 ms內；IMS信令對應QCI=5，IP分組在該承載上具有第1等級的優先級，網絡資源應該確保分組丟失率小于10-6，發起呼叫的移動終端和PCEF之間的時延應該在100 ms內。

3 VoLTE端到端QoS指標和質量目標

3.1 VoLTE端到端QoS指標

對于一個VoLTE用戶來說，端到端的服務質量指標主要有以下7個[2]：

（1）注冊成功率

如公式(1)所示，VoLTE端到端注冊成功率指嘗試注冊VoLTE服務成功的概率，等價于IMS注冊成功率。

注冊相關事件及觸發條件如表2所示。

（2）服務可用性

如公式(2)所示，端到端服務可用性根據能力在VoLTE用戶之間建立呼叫。

服務可用性相關事件及觸發條件如表3所示。

（3）撥號后時延

如公式(3)所示，撥號后時延指主叫方撥號結束至其聽到回鈴音或者電話錄音之間的時間間隔。

表1 3GPP定義的標準化QCI[3]

表2 注冊相關事件及觸發條件

表3 服務可用性相關事件及觸發條件

撥號后時延相關事件及觸發條件如表4所示。

（4）語音質量

VoLTE端到端語音質量等價于ITU-T P.10[4]中定義的語音質量，即在語言通信系統中，用戶所感受到的語音質量。P.862[5]和P.863[6]中定義的模型提供了關于語音信號質量的客觀評估方法，可看作為ITU-T E.804[7]中定義的一個呼叫的語音質量或者一個樣本的語音質量。

（5）嘴到耳時延

VoLTE端到端嘴到耳時延指語音信號從說話者嘴巴到聽者耳朵所經歷的時間，對應IP網相當于Y.1540[8]中的IPTD（Internet Packet Transfer Delay），指從信源端測試點到信宿端測試點所經歷的時間。

（6）呼叫掉話率

VoLTE端到端呼叫掉話率指服務的連續性，也指維持呼叫至正常結束的能力，相當于ITU-T E.804中定義的電話呼叫中斷率。

VoLTE會話掉話率如公式(4)所示：

呼叫掉話率相關事件及觸發條件如表5所示。

（7）語音帶寬

指對使用帶寬的測試（正常的NB或WB，或者部分且無必要的帶寬限制），與編解碼模式的選擇及切換有關，可以從SIP消息中得到。

3.2 QoS指標在不同端到端場景下的目標值

表6至表9給出端到端QoS指標在4種情況下的目標值，表中列出端到端路徑上所有模塊單獨的質量預算以及端到端的總質量預算，這個目標值是網絡運營商可以達到的實際值[2]。

對表中數據的說明如下：關于嘴到耳時延，ITU-T G.114[9]中提出首選最大值為150 ms，目前還達不到。有些運營商可以提供國內通話嘴到耳時延低于250 ms，表中給出的最大值是400 ms。對于終端，3GPP TS26.131[10]中給出發送和接收的總時延必須小于190 ms。對于E-UTRAN，3GPP TS23.203給出移動終端和PCEF之間的時延預算為100 ms，減去PCEF和無線基站之間20 ms的平均時延（20 ms平均值是考慮漫游的，是一種不典型場景而得到的），就導出了空中接口的時延預算為80 ms。

（1）兩個LTE用戶在同一個網絡中通信的情況如圖2、表6所示：

圖2 兩個LTE用戶在同一網絡中通信的參考模型

其中，撥號后時延在LTE-LTE情況下最大為3.5 s（ETSI TS 101 563[11]建議為5.9 s，且95%的概率低于2.4 s），當呼叫發起端的用戶發生CSFB時，撥號后時延最大為6 s。語音質量是采用AMR-WB編碼方式，數據速率為23.85 kbit/s時的目標值。

（2）兩個LTE用戶在需要互聯的網絡中通信（包括漫游）的情況如圖3、表7所示：

表4 撥號后時延相關事件及觸發條件

表5 呼叫掉話率相關事件及觸發條件

圖3 兩個LTE用戶在兩個互聯的網絡中通信的參考模型

表6 LTE-LTE在同一個網絡中通信的質量預算

其中，撥號后時延在LTE-LTE情況下最大為4 s，當呼叫發起端的用戶發生CSFB時，撥號后時延最大為6 s。語音質量是采用AMR-WB編碼方式，數據速率為23.85 kbit/s時的目標值。當采用高清語音和免編碼運營（TrFO Transcoder Free Operation）時，語音質量目標值為4，其它情況下目標值為2.8。

（3）一個VoLTE用戶和一個3G移動用戶進行通信的情況如圖4、表8所示。

圖4 一個LTE用戶和一個3G移動用戶通信的參考模型

其中，語音質量是采用AMR-WB編碼方式、數據速率為12.65 kbit/s時的目標值。當采用高清語音和免編碼運營時，目標值是3.8，其它情況目標值是2.8。

（4）一個VoLTE用戶和一個PSTN用戶進行通信的情況如圖5、表9所示。

其中，語音質量是采用AMR編碼方式、數據速率為12.2 kbit/s時的目標值。

圖5 一個LTE用戶和一個PSTN用戶通信的參考模型

表7 LTE-LTE在兩個互聯網絡中通信的質量預算

表8 LET-3G通信的質量預算

表9 LTE-PSTN通信的質量預算

4 端到端QoS測試

根據需要設定測試條件，測試條件包括但不限于以下所列：

（1）無線網絡的狀態：測試終端所在位置的信號強度表明網絡覆蓋情況；

（2）業務狀態：測試時段選擇在業務的忙時、閑時或通常時段；

（3）網絡業務種類及分布：被測網絡所提供業務的種類及所占資源比例；

（4）移動終端數量及地理分布：測試終端的數量及其地理分布；

（5）移動終端的業務特點：采用的語音編碼方式及數據速率等；

（6）移動終端的運動情況：包括移動軌跡及移動速度；

（7）測試時長：測試所持續的時間。

測試不同條件下端到端QoS指標，可以分析各種條件對QoS的影響，也可以得到QoS指標的統計特性，如最大值、最小值、均值、方差、概率分布等。下面給出針對一個測試終端情況下QoS指標的測試方法。

4.1 注冊成功率

移動終端啟動三個主要進程，一個不斷發起注冊，一個抓包（例如wireshark、tcpdump等），一個數據分析。通過抓取SIP數據包中的注冊信息，根據第3.1節（1）中的定義及相應的觸發點，統計一定時間內IMS注冊請求次數、成功/不成功IMS注冊次數，用公式(1)可以計算得到單個移動終端在某段時間內的注冊成功率。當測試整個網絡的注冊成功率時，可以在該網絡的不同區域部署多個移動終端進行測試，匯總計算得到整個網絡的注冊成功率。

4.2 服務可用性

移動終端啟動三個主要進程，一個不斷發起呼叫，一個抓包，一個數據分析。通過抓取SIP數據包中的“INVITE”相關信息，根據第3.1節（2）中的定義及相應的觸發點，統計一定時間內VoLTE會話建立請求次數、成功/不成功會話建立次數，用公式(2)可以計算得到單個移動終端在某段時間內的服務可用性。當測試整個網絡的服務可用性時，可以在該網絡的不同區域部署多個移動終端進行測試，匯總計算得到全網的服務可用性。

4.3 撥號后時延

移動終端啟動三個主要進程，一個不斷發起呼叫，一個抓包，一個數據分析。通過記錄每一次呼叫SIP數據包中“INVITE”及其“200OK”消息的時間，根據公式(3)可以計算得到每一次呼叫的撥號后時延（呼叫嘗試時刻和連接建立時刻的間隔），對一定時間內或一定數量的呼叫的撥號后時延進行統計平均，即可得到該移動終端的平均撥號后時延。對于整個網絡，可以在該網絡的不同區域部署多個移動終端進行測試，匯總計算得到全網的撥號后時延及其統計特性。

4.4 語音質量的測試

關于語音質量主要有兩類測試方法：參數工具和基于信號的模型。在移動終端上安裝這樣的測試工具，通過測試得到語音質量的MOS值。

（1）參數工具

參數工具利用網絡連接技術參數和端用戶感受到的端到端質量之間的相關性，以較低的代價獲得相對準確的質量估計。這種工具可以放置在邊緣節點、端用戶附近，用來準確預測個體質量，或者放置在網絡內部，以了解網絡性能對端到端質量的影響。

ITU-T P.564[13]給出了一類參數語音質量預測模型，該類模型可以利用IP/UDP/RTP頭中的信息估計語音質量適用于3.1 kHz的窄帶語音和7 kHz的寬帶語音。

ITU-T G.107[14]中的E模型廣泛應用于傳輸規劃，E模型使用網絡損傷因素計算傳輸速率因子R（也給出了R與MoS值之間的映射關系）。G.107.1[15]使該模型適用于IP和寬帶語音場景，該模型中的很多參數也適用于VoLTE，如編解碼方式、時延和分組丟失率等。在窄帶語音情況下，R的范圍為0到100，R=0代表最差的質量，R=100代表最好的質量。為了適應寬帶語音的情形，R范圍擴展為0到129，R=0代表最差的質量，R=129代表最好的質量。

（2）基于信號的模型

基于信號的模型比參數模型更復雜，因為它需要抓取并分析語音信號。該類模型通常用于點到點的情形，以準確測試語音業務在給定時間、給定地點的端到端質量。ITU-T P.862和ITU-T P.863是全參考的模型，P.563[16]是無參考的模型，僅適用于窄帶語音。P.862和P.863是目前廣泛使用的有參考模式的語音質量評價方法。P.862模型存在的主要問題是：處理CDMA編碼（如EVRC）不夠準確；在特定的GSM/WCDMA網絡條件下過于敏感；不能處理超寬帶語音信號。P.863解決了P.862存在的問題，支持更多的編碼方式，支持超寬帶語音，可以替代P.862。

4.5 嘴到耳時延

發送終端與接收終端建立呼叫連接，并發送特定的語音序列（P.501[17]中的語音序列或P.863中的語音序列）。接收終端對收到的信號和原始信號進行互相關分析后，可計算得到語音信號的時延。通常語音質量測試軟件都提供端到端時延的測試值。

4.6 呼叫掉話率

移動終端啟動三個主要進程，一個不斷發起呼叫，一個抓包，一個數據分析。統計移動終端收到的SIP“200OK（INVITE）”、“200OK（BYE）”消息，根據第3.1節（6）中的定義及相應的觸發點，計算得到一定時間內成功開始的VoLTE會話、成功/不成功結束的VoLTE會話，用公式(6)計算得到單個移動終端在一定時間內的掉話率。當測試整個網絡的呼叫掉話率時，可以在該網絡的不同區域部署多個移動終端進行測試，匯總計算得到全網的呼叫掉話率。

5 結論

VoLTE是在IP網上通過IMS控制來傳輸語音，全部業務承載于4G網絡上，可實現數據與語音業務在同一網絡下的統一。由于語音業務和其他數據業務（如網頁瀏覽、視頻、社交媒體、文件傳輸等）共享網絡資源，為了保證各種業務的服務質量，LTE定義了一系列的QoS類別標識符，不同等級的QoS由不同的服務來提供，從而可以得到有服務質量保證的VoLTE呼叫。盡管LTE提供了QoS機制保證服務質量，也就是針對不同業務在資源分配、優先級等方面區別對待，但是這些機制并不能保證用戶最終獲得其想得到的服務質量。因此需要明確VoLTE的端到端質量指標及其評估方法，為VoLTE業務提供商提供監視、報告、發現并解決服務質量問題的基礎，這是本文的主要目的。文章首先介紹VoLTE業務網絡結構和服務質量參數，然后解釋VoLTE端到端QoS指標的定義（包括注冊成功率、服務可用性、撥號后時延、語音質量、嘴到耳時延、呼叫掉話率等），并明確定義中所涉及事件及其觸發條件，列出VoLTE四種常見端到端場景下QoS指標的目標值，包括端到端路徑上所有模塊各自的質量預算和總的質量預算。這四種場景為：LTE-LTE（同一網絡）通信、LTE-LTE（互連）通信、LTE-3G通信和LTE-PSTN通信，在此基礎上，進一步說明利用現有技術測試VoLTE端到端QoS的方法。

[1] ETSI TR 103 219 v1.1.1. Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); Quality of Service aspects of voice communication in an LTE environment[S]. 2015.

[2] Recommendation ITU-T G.1028. End-to-end quality of service for voice over 4G mobile networks[S]. 2016.

[3] 3GPP TS 23.203 v 14.4.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Policy and charging control architecture (Release 14)[S]. 2017.

[4] Recommendation ITU-T P.10/G.100. Vocabulary for performance and quality of service[S]. 2006.

[5] Recommendation ITU-T P.862. Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-toend speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs[S]. 2001.

[6] Recommendation ITU-T P.863. Perceptual objective listening quality assessment[S]. 2014.

[7] Recommendation ITU-T E.804. Quality of service aspects for popular services in mobile networks[S]. 2014.

[8] Recommendation ITU-T Y.1540. Internet protocol data communication service – IP packet transfer and availability performance parameters[S]. 2016.

[9] Recommendation ITU-T G.114. One-way transmission time[S]. 2003.

[10] 3GPP TS 26.131 v 13.1.0. 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Terminal acoustic characteristics for telephony; Requirements (Release 13)[S]. 2015.

[11] ETSI TS 101 563 v 1.4.1. Speech and multimedia Transmission Quality (STQ); IMS/PES/VoLTE exchange performance requirements[S]. 2015.

[12] GSMA IR.34 v 12.0. Guidelines for IPX Provider networks[S]. 2016.

[13] Recommendation ITU-T P.564. Conformance testing for voice over IP transmission quality assessment models[S]. 2007.

[14] Recommendation ITU-T G.107. The E-model: a computational model for use in transmission planning[S]. 2015.

[15] Recommendation ITU-T G.107.1. Wideband E-model[S]. 2015.

[16] Recommendation ITU-T P.563. Single-ended method for objective speech quality assessment in narrow-band telephony applications[S]. 2004.

[17] Recommendation ITU-T P.501. Test signals for use in telephonometry[S]. 2017. ★

End-to-end Quality of Service Indicator and Test for VoLTE

XU Yan1, CHEN Yele2
(1. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100045, China; 2. University of Southampton, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom)

Voice over LTE is a solution to transfering voice packets over the LTE network with low latency and high Quality of Service. The accurate assessment of QoS of VoLTE service is of importance to operators of the LTE network. The related standards of voice QoS and VoLTE were investigated to determine the end-to-end QoS indicators and target values for VoLTE. Finally, the method to test end-to-end QoS for VoLTE using existing technology was presented.

voice over LTE end-to-end QoS delay

許延：教授級高級工程師，博士，現任職于中國信息通信研究院，主要研究方向為多媒體通信、無線通信。

陳也樂：碩士就讀于英國南安普頓大學，主要研究方向為無線通信、信息安全。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.004

TN929.5

A

1006-1010(2017)15-0016-08

許延,陳也樂. VoLTE業務端到端服務質量指標及測試[J]. 移動通信, 2017,41(15): 16-23.

2017-07-28

責任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn